Особенности архитектуры PA-RISK компании Hewlett-Packard

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|команда не является командой загрузки или записи. В противном случае потери |

|равны одному такту. Потери на запись части слова могут составлять от нуля до |

|двух тактов. Моделирование показывает, что подавляющее большинство команд |

|записи в действительности работают с однословным или двухсловным форматом. |

|Все операции с плавающей точкой, за исключением команд деления и вычисления |

|квадратного корня, полностью конвейеризованы и имеют двухтактную задержку |

|выполнения как в режиме с одинарной, так и с двойной точностью. Процессор может|

|выдавать на выполнение независимые команды с плавающей точкой в каждом такте |

|при отсутствии каких-либо потерь. Последовательные операции с зависимостями по |

|регистрам приводят к потере одного такта. Команды деления и вычисления |

|квадратного корня выполняются за 8 тактов при одиночной и за 15 тактов при |

|двойной точности. Выполнение команд не останавливается из-за команд |

|деления/вычисления квадратного корня до тех пор, пока не потребуется регистр |

|результата или не будет выдаваться следующая команда деления/вычисления |

|квадратного корня. |

|Процессор может выполнять параллельно одну целочисленную команду и одну команду|

|с плавающей точкой. При этом "целочисленными командами" считаются и команды |

|загрузки и записи регистров плавающей точки, а "команды плавающей точки" |

|включают команды FMPYADD и FMPYSUB. Эти последние команды объединяют операцию |

|умножения с операциями сложения или вычитания соответственно, которые |

|выполняются параллельно. Пиковая производительность составляет 200 MFLOPS для |

|последовательности команд FMPYADD, в которых смежные команды независимы по |

|регистрам. |

|Потери для операций плавающей точки, использующих предварительную загрузку |

|операнда командой LOAD, составляют один такт, если команды загрузки и плавающей|

|арифметики являются смежными, и два такта, если они выдаются для выполнения |

|одновременно. Для команды записи, использующей результат операции с плавающей |

|точкой, потери отсутствуют, даже если они выполняются параллельно. |

|Потери, возникающие при промахах в кэше данных, минимизируются посредством |

|применения четырех разных методов: "попадание при промахе" для команд LOAD и |

|STORE, потоковый режим работы с кэшем данных, специальная кодировка команд |

|записи, позволяющая избежать копирования строки, в которой произошел промах, и |

|семафорные операции в кэш-памяти. Первое свойство позволяет во время обработки |

|промаха в кэше данных выполнять любые типы других команд. Для |

| | | | | | |Лис|

| | | | | |**** 7.0915.01.08 ПЗКП |т |

| | | | | | | |

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|промахов, возникающих при выполнении команды LOAD, обработка последующих команд|

|может продолжаться до тех пор, пока регистр результата команды LOAD не |

|потребуется в качестве регистра операнда для другой команды. Компилятор может |

|использовать это свойство для предварительной выборки в кэш необходимых данных |

|задолго до того момента, когда они действительно потребуются. Для промахов, |

|возникающих при выполнении команды STORE, обработка последующих команд загрузки|

|или операций записи в части одного слова продолжается до тех пор, пока не |

|возникает обращений к строке, в которой произошел промах. Компилятор может |

|использовать это свойство для выполнения команд на фоне записи результатов |

|предыдущих вычислений. Во время задержки, связанной с обработкой промаха, |

|другие команды LOAD и STORE, для которых происходит попадание в кэш данных, |

|могут выполняться как и другие команды целочисленной арифметики и плавающей |

|точки. В течение всего времени обработки промаха команды STORE, другие команды |

|записи в ту же строку кэш-памяти могут происходить без дополнительных потерь |

|времени. Для каждого слова в строке кэш-памяти процессор имеет специальный |

|индикационный бит, предотвращающий копирование из памяти тех слов строки, |

|которые были записаны командами STORE. Эта возможность применяется к |

|целочисленным и плавающим операциям LOAD и STORE. |

|Выполнение команд останавливается, когда регистр-приемник команды LOAD, |

|выполняющейся с промахом, требуется в качестве операнда другой команды. |

|Свойство "потоковости" позволяет продолжить выполнение как только нужное слово |

|или двойное слово возвращается из памяти. Таким образом, выполнение команд |

|может продолжаться как во время задержки, связанной с обработкой промаха, так и|

|во время заполнения соответствующей строки при промахе. |

|При выполнении блочного копирования данных в ряде случаев компилятор заранее |

|знает, что запись должна осуществляться в полную строку кэш-памяти. Для |

|оптимизации обработки таких ситуаций архитектура PA-RISC 1.1 определяет |

|специальную кодировку команд записи ("блочное копирование"), которая |

|показывает, что аппаратуре не нужно осуществлять выборку из памяти строки, при |

|обращении к которой может произойти промах кэш-памяти. В этом случае время |

|обращения к кэшу данных складывается из времени, которое требуется для |

|копирования в память старой строки кэш-памяти по тому же адресу в кэше (если он|

|"грязный") и времени, необходимого для записи нового тега кэша. В процессоре PA|

|7100 такая возможность реализована как для привилегированных, так и для |

|непривилегированных команд. |

| | | | | | |Лис|

| | | | | |**** 7.0915.01.08 ПЗКП |т |

| | | | | | | |

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|Последнее улучшение управления кэшем данных связано с реализацией семафорных |

|операций "загрузки с обнулением" непосредственно в кэш-памяти. Если семафорная |

|операция выполняется в кэше, то потери времени при ее выполнении не превышают |

|потерь обычных операций записи. Это не только сокращает конвейерные потери, но |

|и снижает трафик шины памяти. В архитектуре PA-RISC 1.1 предусмотрен также |

|другой тип специального кодирования команд, который устраняет требование |

|синхронизации семафорных операций с устройствами ввода/вывода. |

|Управление кэш-памятью команд позволяет при промахе продолжить выполнение |

|команд сразу же после поступления отсутствующей в кэше команды из памяти. |

|64-битовая магистраль данных, используемая для заполнения блоков кэша команд, |

|соответствует максимальной полосе пропускания внешней шины памяти 400 Мбайт/с |

|при тактовой частоте 100 МГц. |

|В процессоре предусмотрен также ряд мер по минимизации потерь, связанных с |

|преобразованиями виртуальных адресов в физические. |

|Конструкция процессора обеспечивает реализацию двух способов построения |

|многопроцессорных систем. При первом способе каждый процессор подсоединяется к |

|интерфейсному кристаллу, который наблюдает за всеми транзакциями на шине |

|основной памяти. В такой системе все функции по поддержанию когерентного |

|состояния кэш-памяти возложены на интерфейсный кристалл, который посылает |

|процессору соответствующие транзакции. Кэш данных построен на принципах |

|отложенного обратного копирования и для каждого блока кэш-памяти поддерживаются|

|биты состояния "частный" (private), "грязный" (dirty) и "достоверный" (valid), |

|значения которых меняются в соответствии с транзакциями, которые выдает или |

|принимает процессор. |

|Второй способ организации многопроцессорной системы позволяет объединить два |

|процессора и контроллер памяти и ввода-вывода на одной и той же локальной шине |

|памяти. В такой конфигурации не требуется дополнительных интерфейсных |

|кристаллов и она совместима с существующей системой памяти. Когерентность |

|кэш-памяти обеспечивается наблюдением за локальной шиной памяти. Пересылки |

|строк между кэшами выполняются без участия контроллера памяти и ввода-вывода. |

|Такая конфигурация обеспечивает возможность построения очень дешевых |

|высокопроизводительных многопроцессорных систем. |

|Процессор поддерживает ряд операций, необходимых для улучшения |

| | | | | | |Лис|

| | | | | |**** 7.0915.01.08 ПЗКП |т |

| | | | | | | |

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|графической производительности рабочих станций серии 700: блочные пересылки, |

|Z-буферизацию, интерполяцию цветов и команды пересылки данных с плавающей |

|точкой для обмена с пространством ввода/вывода. |

|Процессор построен на базе технологического процесса КМОП с проектными нормами |

|0.8 микрон, что обеспечивает тактовую частоту 100 МГц. |

| |

|1.3.2 Характеристика и особенности процессора PA 7200 |

| |

|Процессор PA 7200 имеет ряд архитектурных усовершенствований по сравнению с PA |

|7100, главными из которых являются добавление второго целочисленного конвейера,|

|построение внутрикристального вспомогательного кэша данных и реализация нового |

|64-битового интерфейса с шиной памяти. |

|Процессор PA 7200, как и его предшественник, обеспечивает суперскалярный режим |

|работы с одновременной выдачей до двух команд в одном такте. Все команды |

|процессора можно разделить на три группы: целочисленные операции, операции |

|загрузки/записи и операции с плавающей точкой. PA 7200 осуществляет |

|одновременную выдачу двух команд, принадлежащим разным группам, или двух |

|целочисленных команд (благодаря наличию второго целочисленного конвейера с АЛУ |

|и дополнительных портов чтения и записи в регистровом файле). Команды перехода |

|выполняются в целочисленном конвейере, причем эти переходы могут составлять |

|пару для одновременной выдачи на выполнение только с предшествующей командой. |

|Повышение тактовой частоты процессора требует упрощения декодирования команд на|

|этапе выдачи. С этой целью предварительная дешифрация потока команд |

|осуществляется еще на этапе загрузки кэш-памяти. Для каждого двойного слова |

|кэш-память команд включает 6 дополнительных бит, которые содержат информацию о |

|наличии зависимостей по данным и конфликтов ресурсов, что существенно упрощает |

|выдачу команд в суперскалярном режиме. |

|В процессоре PA 7200 реализован эффективный алгоритм предварительной выборки |

|команд, хорошо работающий и на линейных участках программ. |

|Как и в PA 7100 в процессоре реализован интерфейс с внешней кэш-памятью данных,|

|работающей на тактовой частоте процессора с |

| | | | | | |Лис|

| | | | | |**** 7.0915.01.08 ПЗКП |т |

| | | | | | | |

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|однотактным временем ожидания. Внешняя кэш-память данных построена по принципу |

|прямого отображения. Кроме того, для повышения эффективности на кристалле |

|процессора реализован небольшой вспомогательный кэш емкостью в 64 строки. |

|Формирование, преобразование адреса и обращение к основной и вспомогательной |

|кэш-памяти данных выполняется на двух ступенях конвейера. Максимальная задержка|

|при обнаружении попадания равна одному такту. |

|Вспомогательный внутренний кэш содержит 64 32-байтовые строки. При обращении к |

|кэш-памяти осуществляется проверка 65 тегов: 64-х тегов вспомогательного кэша и|

|одного тега внешнего кэша данных. При обнаружении совпадения данные |

|направляются в требуемое функциональное устройство. |

|При отсутствии необходимой строки в кэш-памяти производится ее загрузка из |

|основной памяти. При этом строка поступает во вспомогательный кэш, что в ряде |

|случаев позволяет сократить количество перезагрузок внешней кэш-памяти, |

|организованной по принципу прямого отображения. Архитектурой нового процессора |

|для команд загрузки/записи предусмотрено кодирование специального признака |

|локального размещения данных ("spatial locality only"). При выполнении команд |

|загрузки, помеченных этим признаком, происходит обычное заполнение строки |

|вспомогательного кэша. Однако последующая запись строки осуществляется |

|непосредственно в основную память минуя внешний кэш данных, что значительно |

|повышает эффективность работы с большими массивами данных, для которых размера |

|строки кэш-памяти с прямым отображением оказывается недостаточно. |

|Расширенный набор команд процессора позволяет реализовать средства |

|автоиндексации для повышения эффективности работы с массивами, а также |

|осуществлять предварительную выборку команд, которые помещаются во |

|вспомогательный внутренний кэш. Этот вспомогательный кэш обеспечивает |

|динамическое расширение степени ассоциативности основной кэш-памяти, |

|построенной на принципе прямого отображения, и является более простым |

|альтернативным решением по сравнению с множественно-ассоциативной организацией.|

| |

|Процессор PA 7200 включает интерфейс новой 64-битовой мультиплексной системной |

|шины Runway, реализующей расщепление транзакций и поддержку протокола |

|когерентности памяти. Этот интерфейс включает буфера транзакций, схемы |

|арбитража и схемы управления соотношениями внешних и внутренних тактовых |

|частот. |

| | | | | | |Лис|

| | | | | |**** 7.0915.01.08 ПЗКП |т |

| | | | | | | |

|И|Ли|№ докум.|Подп. |Дат| | |

|з|ст| | |а | | |

|м| | | | | | |

| |

| |

|1.3.3 Характеристика суперскалярного процессора PA 8000 |

| |

|Процессор PA-8000 был анонсирован в марте 1995 года на конференции COMPCON 95. |

|Было объявлено, что показатели его производительности будут достигать 8.6 |

|единиц SPECint95 и 15 единиц SPECfp95 для операций целочисленной и вещественной|

|арифметики соответственно. В настоящее время этот очень высокий уровень |

|производительности подтвержден испытаниями рабочих станций и серверов, |

|построенных на базе этого процессора. |

|Процессор PA-8000 вобрал в себя все известные методы ускорения выполнения |

|команд. В его основе лежит концепция "интеллектуального выполнения", которая |

|базируется на принципе внеочередного выполнения команд. Это свойство позволяет |

|PA-8000 достигать пиковой суперскалярной производительности благодаря широкому |

Страницы: 1, 2, 3